12. Januar 2023
DLR Quantencomputing-Initiative (QCI) vergibt Aufträge für 13 Millionen Euro

Start-ups las­sen Dia­mant-Qubits wach­sen

Plasma-Ball im Wachstumsreaktor
Plas­ma-Ball im Wachs­tums­re­ak­tor
Bild 1/2, Credit: © CO / Diatope GmbH

Plasma-Ball im Wachstumsreaktor

Blick in die Va­ku­um­kam­mer ei­nes Wachs­tums­re­ak­tors, in dem syn­the­ti­sche Dia­mant­schich­ten ent­ste­hen: Der leuch­ten­de Ball in­ner­halb der Kam­mer ist ein von Mi­kro­wel­len in­du­zier­tes Plas­ma auf Ba­sis von Was­ser­stoff und Me­than. Der im Me­than ent­hal­te­ne Koh­len­stoff ist der Bau­stoff für die künst­li­chen Dia­mant­schich­ten, die wäh­rend des Pro­zes­ses wach­sen.
Rote Fluoreszenz eines Diamanten mit NV-Zentren
Ro­te Fluo­res­zenz ei­nes Dia­man­ten mit NV-Zen­tren
Bild 2/2, Credit: © Advanced Quantum GmbH

Rote Fluoreszenz eines Diamanten mit NV-Zentren

Der elek­tro­ni­sche Zu­stand von Stick­stoff-Fehl­stel­len (NV)-Zen­tren in Dia­mant zeigt sich bei ei­ner An­re­gung mit grü­nem Licht: Das Sys­tem ant­wor­tet dann mit ei­ner Fluo­res­zenz im ro­ten Be­reich.
  • Advanced Quantum und Diatope aus Baden-Württemberg unterstützen die Entwicklung von Quantencomputern mit Festkörper-Spins.
  • Festkörper-Spins sind zum Beispiel durch Stickstoff-Fehlstellen in Diamant realisierbar.
  • Qualitätssicherung für Qubit-Hardware und Standardisierungen in der Herstellung.
  • Schwerpunkte: Quantentechnologie, Quantencomputing, Digitalisierung

Qubits sind die Recheneinheiten von Quantencomputern. Sie lassen sich auf unterschiedliche Weise herstellen. Eine Möglichkeit sind sogenannte Spin-Qubits in Festkörpern, zum Beispiel in Diamanten: Dann stecken die Qubits in Fehlstellen, die gezielt in die Struktur von Diamantkristallen eingefügt werden. Die Quantencomputing-Initiative im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) hat in diesem Zusammenhang jetzt zwei Aufträge vergeben. Advanced Quantum aus Allmersbach (Baden-Württemberg) entwickelt in den kommenden dreieinhalb Jahren eine Qualitätssicherung für diese veränderten Diamant-Strukturen und andere Festkörper, die für Qubits geeignet sind. Diatope aus Ummendorf (Baden-Württemberg) erzeugt hochwertige Diamantschichten mit Stickstoff-Fehlstellen. Die Aufträge haben ein Gesamtvolumen von 13 Millionen Euro.

„Start-ups profitieren besonders von der DLR Quantencomputing-Initiative, die jungen Unternehmen werden effektiv in den Aufbau eines kommerziellen Ökosystems für Quantencomputing eingebunden. So kann eine industrielle Basis entstehen, die international wettbewerbsfähig ist und den Technologiestandort Deutschland in dieser Schlüsseltechnologie stärkt“, sagt Dr. Anna Christmann, Beauftragte des Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) für die digitale Wirtschaft und Start-ups.

„Stickstoff-Fehlstellen in Diamant gelten als geeignete Spin-Qubits für den Bau von Quantencomputern. Für die weitere Entwicklung ist es wichtig, dass die Spin-Qubits in ausreichender Zahl und in hoher Qualität zur Verfügung stehen. Darum geht es bei diesen Aufträgen“, erklärt Dr. Robert Axmann, Leiter der DLR Quantencomputing-Initiative (QCI). Die Vorteile von diamantbasierten Qubits liegen unter anderem darin, dass sie bei Raumtemperatur funktionieren. Supraleitende Systeme, die auch zu den Festkörpern zählen, sind vergleichsweise weit entwickelt. Sie brauchen aber extrem tiefe Temperaturen. „Für das Quantencomputing ist noch völlig unklar, welche Systeme gut skalieren – also höhere Anzahlen von Qubits erlauben – und fehlerfrei beziehungsweise fehlerkorrigierbar arbeiten. Deswegen ist es umso wichtiger, dass viele Qubit-Technologien erforscht werden“, ergänzt Robert Axmann.

Hersteller profitieren voneinander

Die beiden Start-ups unterstützen und beschleunigen die weitere Entwicklung von Quantencomputern auf Basis von Stickstoff-Fehlstellen (NV-Zentren, nitrogen-vacancy) in Diamant. Sie gewährleisten außerdem, dass die gefertigten Qubits gleichbleibende Eigenschaften haben. Die erteilten Aufträge entwickeln und erweitern gezielt das Ökosystem für den Bereich von Quantencomputern auf Basis von Festkörperspins und sind eng mit den Aufträgen zum Bau von Quantencomputern auf Basis von NV-Zentren verzahnt.

Advanced Quantum erarbeitet eine Qualitätssicherung für Spin-Qubits in Festkörpern. Die Fehlstellen in Diamanten und anderen Materialien sollen dazu mit Laserstrahlen, Mikrowellen und Radiofrequenzen angesteuert werden. Um die Eigenschaften der Spin-Qubits möglichst detailliert darstellen zu können, führt Advanced Quantum zusätzlich eine Analyse der Proben unter kryogenen (ultrakalten) Temperaturen durch.

Diatope produziert Quantenhardware auf Basis von NV-Zentren. Diatope lässt also besonders reine Diamantschichten kontrolliert wachsen und implantiert dann Stickstoff-Ionen in die Kristall-Struktur. Anschließend werden die Diamanten erhitzt. Dadurch gewinnen sie ihre Gitterstruktur zurück, die durch den Einbau der Stickstoff-Ionen gestört wurde. Für die einzelnen Prozesse baut Diatope spezielle Anlagen und optimiert deren Betrieb.

„Eine enge Zusammenarbeit ist vorgesehen – nicht nur zwischen den beiden Projekten, sondern auch mit anderen Industriepartnern und DLR-Instituten in der DLR Quantencomputing-Initiative. Davon profitieren alle Beteiligten und gleichzeitig wird das Quantencomputing-Ökosystem am Standort Deutschland insgesamt vorangebracht“, erklärt Dr. Karla Loida, Projektleiterin in der DLR Quantencomputing-Initiative (QCI). Beide Start-ups nutzen Labore im DLR-Innovationszentrum Ulm. Dort und im DLR-Innovationszentrum Hamburg bestehen Synergien mit den DLR-Instituten und weiteren Projekten in der DLR Quantencomputing-Initiative.

Die DLR Quantencomputing-Initiative

Die DLR Quantencomputing-Initiative (QCI) baut innerhalb der nächsten vier Jahre prototypische Quantencomputer unterschiedlicher Architekturen. Außerdem werden die damit verbundenen Technologien und Anwendungen entwickelt. Das DLR bindet Unternehmen, Start-ups und andere Forschungseinrichtungen ein, um gemeinsam die Arbeiten voranzutreiben.

Das DLR wurde durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) mit Ressourcen ausgestattet und vergibt in großem Umfang Aufträge an Unternehmen. Das DLR bringt die eigenen Fähigkeiten und Fragestellungen in Forschung und Entwicklung ein und fokussiert auf den Transfer in die Wirtschaft.

Schnelle Berechnungen mit Quantenbits

Quantencomputer sind eine wichtige Technologie für die Zukunft: Sie können Berechnungen und Simulationen auf spezifischen Einsatzgebieten wesentlich schneller als klassische Supercomputer durchführen. Ihr Einsatz ist zum Beispiel im Verkehrs- und Energiebereich, aber ebenso bei der Grundlagenforschung oder dem Betrieb von Satelliten möglich. Quantencomputer nutzen quantenmechanische Effekte wie Verschränkung und Überlagerung aus: Ihre Quantenbits (Qubits) können die Zustände 0 und 1 gleichzeitig einnehmen – und nicht nur nacheinander, wie die klassischen Computer. Das wiederum macht Quantencomputer so leistungsfähig. Im DLR arbeiten mehrere Institute mit Quantentechnologien. Auch im DLR besteht ein großer Bedarf, in Zukunft an und mit Quantencomputern zu forschen.

Advanced Quantum GmbH (Allmersbach, Baden-Württemberg)

Advanced Quantum ist eine Ausgründung aus dem 3. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart. Das junge Start-up entwickelt und vermarktet neuartige Quantentechnologien mit einem Schwerpunkt auf Sensorik und Messtechnik-Anwendungen. Dazu gehören auch Charakterisierungsaufbauten für Spin-Qubits. Neben den Entwicklungsarbeiten bietet das Unternehmen Quantenphysikexperimente für Ausbildungs- und Schulungszwecke in Hochschulen und Firmen an.

Diatope GmbH (Ummendorf, Baden-Württemberg)

Diatope wurde im Jahr 2021 gegründet und ist ein Spin-off aus dem Institut für Quantenoptik der Universität Ulm. Das Start-up entwickelt hochreine Diamantschichten für Anwendungen in den Quantentechnologien. Diatope setzt auf die kontrollierte Herstellung atomarer Defekte in diesen synthetischen Diamanten. Sie werden mit komplexen Verfahren in speziellen Vakuumanlagen realisiert. Der Fokus von Diatope liegt auf der Optimierung der Quanteneigenschaften dieser Defekte für die Verwendung in der Sensorik sowie in der Quantencomputer-Industrie.

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Supraleiter

Ein Material, dass bei extrem tiefen Temperaturen nahezu widerstandslos Strom leiten kann. Die supraleitende Fähigkeit tritt unterhalb der sehr niedrigen Sprungtemperatur auf. Supraleitende Schaltkreise stellen einen Ansatz für die Realisierung von Quantencomputern dar.

Spin-Qubits

Spin-Qubits sind Festkörperspins, die zur Realisierung von Quantencomputern genutzt werden. Hierbei können als Qubits sowohl Kernspins als auch Elektronenspins verwendet werden. Dabei handelt es sich um die Drehimpulse von Atomkernen und Elektronen, die sich in einem Magnetfeld ausrichten und manipulieren lassen.

NV-Zentren

Ein Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum (nitrogen-vacancy center) ist ein Defekt im Kohlenstoff-Kristallgitter von Diamant, der aus einem einzelnen Stickstoffatom und einer benachbarten Kohlenstofffehlstelle besteht. Das NV-Zentrum kann als Einzelphotonenquelle eingesetzt werden oder für die Realisierung von Quantencomputern genutzt werden. Als Qubits werden hierbei Elektronenspins im NV-Zentrum sowie umliegende Kernspins verwendet.

Quantencomputer

Neuartige Form eines Rechners, der auf Basis der Gesetze der Quantenphysik arbeitet. Seine Quantenbits (Qubits) können nicht nur die Zustände 0 und 1 einnehmen, sondern auch Zwischenwerte. Quantencomputer haben das Potenzial, bestimmte Aufgaben zu lösen, an denen klassische Computer scheitern.

Fehlstellen

In einem Kristall herrschen strenge Regeln, welches Atom wo im Kristallgitter sitzen darf. Bei einer Fehlstelle wird diese Regel gebrochen. Hier sitzt entweder ein „falsches“ Atom an einem Gitterplatz, oder aber gar keines. Da diese Fehlstellen einen Fehler im Kristallgitter verursachen, nennt man sie auch Gitterfehler. Diese Fehler verändern die elektronische Struktur des Kristalls, was sich für verschiedenste Zwecke nutzen lässt. Auch so genannte Farbzentren sind Fehlstellen, mit der besonderen Eigenschaft, dass sie sichtbares Licht absorbieren und dem Kristall eine Farbe verleihen können. Rubine zum Beispiel erhalten ihre rötliche Färbung durch solche Farbzentren.

Quantenmechanik/Quantenphysik

Teilbereich der Physik, in dem physikalische Vorgänge in der Welt des Allerkleinsten, auf atomarer Ebene, beschrieben werden.

Superposition/Überlagerungszustand

In der Quantenmechanik bedeutet Superposition, dass sich ein quantenphysikalisches Objekt in einer Überlagerung mehrerer Zustände gleichzeitig befindet.

Qubit

Qubits (Quantenbits) sind die kleinsten Rechen- und Speichereinheiten eines Quantencomputers, die auf den Gesetzen der Quantenmechanik basieren. Im Gegensatz zu den klassischen Bits der herkömmlichen Digitalrechner, die nur die Zustände 0 und 1 kennen, können Qubits unendlich viele Zwischenwerte annehmen. Als Qubits dienen Zweizustands-Quantensysteme auf atomarer Ebene (beispielsweise Atome, Ionen oder Lichtquanten) oder in Festkörpern (beispielsweise in Halbleitern oder Supraleitern).

Verschränkung

In der Quantenphysik spricht man von Verschränkung, wenn einzelne Zustände eines Gesamtsystems voneinander abhängen. In einem Quantencomputer bedeutet dies, dass ein Qubit Informationen über den Zustand eines anderen Qubits besitzt, und die Manipulation eines Qubits sich auf den Zustand des anderen Qubits auswirkt.